Wie lebende Materialien aus Algen Kohlenstoff am besten einfangen können

Wissenschaftler der TU Delft haben herausgefunden, wie begrenzte Mikroalgenzellen in photosynthetisch hergestellten lebenden Materialien optimal wachsen. Mithilfe von Lichtenergie wandeln die Mikroalgen für ihr Überleben CO2 aus der Luft in Zucker, Energie und Sauerstoff um. Solche lebenden Materialien auf Algenbasis könnten in einer Reihe von Anwendungen eingesetzt werden, von funktionalen Objekten zur CO2-Abscheidung bis hin zu Sauerstoffquellen für biologische Gewebe.

Das Team unter der Leitung von Marie-Eve Aubin-Tam und Kunal Masania hat vorgeführt ihre neuen Erkenntnisse in Fortgeschrittene Werkstoffe.

„Engineered Living Materials (ELMs) sind eine aufregende neue Klasse von Materialien, die das Potenzial haben, die Gesellschaft zu revolutionieren“, erklärt der Biophysiker Aubin-Tam. „Ein Beispiel sind photosynthetische lebende Materialien, in denen Organismen wachsen, die aktiv Photosynthese betreiben.“

In der Natur betreiben viele Bakterien, Algen und Pflanzen Photosynthese; Sie nehmen CO2, Wasser und Licht auf und produzieren Zucker, um zu überleben. „Wir haben ELMs mit photosynthetisierenden Algen untersucht, die letztendlich dazu verwendet werden könnten, Sauerstoff an biologisches oder künstlich hergestelltes Gewebe zu liefern, wo die Sauerstoffversorgung oft ein limitierender Faktor für das Wachstum ist.“ Die künstliche Manipulation biologischer Gewebe ist angesichts des wachsenden Bedarfs an Organtransplantationen besonders wichtig.

Wachstum kontrollieren

„Eine wesentliche Einschränkung, die den Einsatz dieser Materialien in größerem Maßstab verhindert, besteht darin, dass wir derzeit nicht wissen, wie wir das Wachstum der Zellen in diesen Materialien kontrollieren können. Das haben wir untersucht. Wir haben untersucht, wie das Wachstum der Zellen verläuft.“ „Wird von der Form des Materials, der Lichteinwirkung und dem Zugang zu Nährstoffen und CO2 beeinflusst“, sagt Aubin-Tam.

„Wir konnten auch zeigen, dass die Zellen überwiegend an den Rändern des Materials wuchsen, wo sie besseren Zugang zu Luft und Licht haben“, fügt Jeong-Joo Oh, Erstautor der Arbeit, hinzu. Die Forscher fanden heraus, dass eine dünne Struktur mit großer Oberfläche die Effizienz der ELMs erhöht. Bei diesen befindet sich ein relativ großer Teil der Zellen an den Rändern und somit in der Nähe von Luft.

Die Natur hat die Antwort

Interessanterweise kam die Natur zum gleichen Schluss, da das Zellwachstum in der ULME mit der Blattstruktur einer Pflanze übereinstimmt. Die Blätter weisen eine dünne Struktur mit einer großen Oberfläche auf, sodass ein großer Teil der Zellen dem Sonnenlicht ausgesetzt werden kann.

„Mit unseren Ergebnissen verdeutlichen wir, dass die Zugänglichkeit von Licht und CO2 von entscheidender Bedeutung ist. Das Einbringen einer kleinen Öffnung für den Gasaustausch in die Strukturen verbesserte das Zellwachstum in den inneren Schichten sichtbar. Dies ging jedoch auf Kosten einer beschleunigten Dehydrierung, was letztlich aber nicht der Fall ist.“ „Gut für die Zellen“, sagt Materialwissenschaftlerin Masania.

Auch dieses Verhalten ist naturanalog. Blätter haben sehr kleine Löcher, sogenannte Stomata. „Wie Tore öffnen die Blätter ihre Spaltöffnungen, um den Gasaustausch zu verbessern und gleichzeitig nicht zu viel Wasser entweichen zu lassen. Mechanismen, die auf einen CO2-Mangel reagieren, wie die Spaltöffnungen eines Blattes, wären für die photosynthetischen ULMEs von großem Nutzen und würden ihre Langlebigkeit erhöhen.“ Effizienz in der Zukunft“, sagt Masania.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

In dieser Forschung untersuchte das Team verschiedene Materialformen und deren Einfluss auf das Zellwachstum. „Um dies zu ermöglichen, mussten wir eine neue Zusammensetzung der Tinte entwerfen, des Materials, das aus dem Drucker kommt. Wir suchten nach einer neuen Tinte, die es uns ermöglichen würde, größere und komplexere Objekte zu drucken“, erklärt Aubin-Tam.

Während ihre Gruppe an der Fakultät für Angewandte Wissenschaften das Wachstum der Zellen untersuchte, machte sich Masania von der Fakultät für Luft- und Raumfahrttechnik daran, zur Entwicklung einer neuen 3D-druckbaren Tinte beizutragen. Gemeinsam mit Elvin Karana von der Fakultät für Industrial Design Engineering erkundeten sie die Möglichkeiten zur Herstellung 3D-Strukturen lebender photosynthetischer Materialien für zukünftige Anwendungen.

„Die Untersuchung des Zellwachstums in ELMs ist entscheidend für deren effiziente Nutzung und optimierte Funktionalität“, schließt Aubin-Tam. „Wir hoffen, dass unsere Arbeit Biologen, Materialwissenschaftler, Informatiker und Ingenieure dazu motivieren wird, das Zellwachstum und die Eigenschaften dieser neuen Materialklasse weiter zu untersuchen.“